JVM原理-jvm内存模型

一、jvm内存模型

• 结构图
  

JVM包含两个子系统和两个组件

• Class loader(类装载子系统)
  根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class文件到
  Runtime data area运行时数据区中的method area方法区中
• Execution engine(执行引擎)
  执行classes中的指令
• Runtime data area(运行时数据区)
  我们常说的JVM的内存
• Native Interface(本地接口)
  与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口
• 运行流程
  首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到
  内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能

1、运行时数据区

• 结构图

• 程序计数器（Program Counter Register）

当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个计数器来完成；

• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

每个方法在执行的同时都会在Java 虚拟机栈中创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；

• 本地方法栈（Native Method Stack）

与虚拟机栈的作用是一样的，只不过虚拟机栈是服务 Java方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法服务的；

• Java 堆（Java Heap）

Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；

• 方法区（Methed Area）

用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

1.1、程序计数器（Program Counter Register）

1. 程序计数器它是一个块较小的内存空间，保存了当前线程正在执行的字节码指令的地址
2. 由于JVM的多线程是通过线程轮流切换来分配CPU执行时间的方式实现的，一个CPU只能处理一个线程的业务。线程切换后，程序计数器会记录当前线程执行的字节码指令的地址(行号)，当线程再次分配到CPU时，通过程序计数器记录的行号找到上次字节码执行的地址继续执行。程序计数器是线程私有的，它是JVM中唯一没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

1.2 、Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

1. JAVA虚拟机是线程私有的，生命周期和线程相同
2. 虚拟机栈描述的是JAVA方法执行的内存模型，每个方法执行的时候，会创建一个栈帧（Stack Frame）来储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

• 栈帧

栈帧是虚拟机的单位，一个方法一个栈帧，用来储存局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

• 局部变量表
  用来存储我们临时8个基本数据类型、对象引用地址、returnAddress类型（字节码的指令地址）

• 操作数栈
  操作数栈就是用来操作的，例如代码中有个 i = 6*6，他在一开始的时候就会进行操作，读取我们的代码，进行计算后再放入局部变量表中去

• 动态链接
  如方法中需要大量计算的，把计算的代码封装成一个add（）方法，当前方法调用add()方法，跳转过去，add()就是动态链接

• 方法出口
  出口正常的话就是return 不正常的话就是抛出异常落

1.3、JAVA堆（Java Heap）

1. JAVA堆是虚拟机内存最大的一块区域，所有线程共享，虚拟机启动时就创建，用来储存对象实列
2. 所有的对象实例和数组都在堆上分配
3. 垃圾收集器管理的主要区域，被称为“GC堆”
4. 从内存回收的角度来看，JAVA堆可分为新生代和老年代
5. 从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区
6. 如果堆中没有内存可以完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛OutOfMemoryError异常

1.4、方法区（Methed Area）

1. 方法区是所有线程共享，用于储存已被JVM加载的类信息、常量、静态变量等信息，就是javac编译器编译后的代码数据
2. 当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError异常

1.5 、堆栈的区别

对比	JVM堆	JVM栈
物理地址	堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在GC的时候也要考虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记——压缩）	栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所以性能快
内存分配	堆的内存空间是不连续的，所以分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般堆大小远远大于栈	栈的内存空间是连续的，所以分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的
存放内容	堆存放的是对象的实例和数组。更关注的是数据的存储	局部变量、操作数栈、动态链接、返回结果 ，更关注的是程序方法的执行
程序可见性	堆是所有线程共享的，对于整个应用程序都是共享、可见的	栈是线程私有的，仅对当前线程可见，生命周期和线程相同

2、Execution engine(执行引擎)

虚拟机核心的组件就是执行引擎，它负责执行虚拟机的字节码，字节码文件只是 JVM 的一套 指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的要JVM字节码执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行

3、类加载器（Class loader）

• 定义
  根据指定全限定名称将class文件加载到JVM内存，转为Class对象

3.1、 四种类加载器

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：用来加载java核心类库，无法被java程序直接引用
• 扩展类加载器(extensions class loader)：用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类
• 系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它
• 用户自定义类加载器：通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现

3.2、类装载的执行过程

1. 加载：根据查找路径找到相应的 class 文件然后导入
2. 验证：检查加载的 class 文件的正确性
3. 准备：给类中的静态变量分配内存空间
4. 解析：虚拟机将常量池中的符号引用替换成直接引用的过程。符号引用就理解为一个标示，在直接引用直接指向内存中的地址
5. 初始化：对静态变量和静态代码块执行初始化工作

3.3、双亲委派模型

• 双亲委派模型工作流程

一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此，只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时（即ClassNotFoundException），子加载器才会尝试自己去加载。

• 作用

如果没有双亲委派，那么用户是不是可以自己定义一个java.lang.Object的同名类，java.lang.String的同名类，并把它放到ClassPath中,那么类之间的比较结果及类的唯一性将无法保证，因此，为什么需要双亲委派模型？防止内存中出现多份同样的字节码

• 打破双亲委派机制

-打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类，还要重写loadClass和findClass方法

4、直接内存

• 直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现
• 可以理解为基于物理内存和Java虚拟机内存的中间内存

二、垃圾回收机制及算法

------JVM原理-垃圾回收机制及算法